Le Dr Luciano Zuccarello a grandi à l'ombre de l'Etna, un volcan actif sur l'île italienne de Sicile. Fermes et vergers entourent les pentes inférieures du volcan, où le sol fertile est idéal pour l'agriculture. Mais le volcan occupe une place importante dans la vie des habitants car c'est aussi l'un des volcans les plus actifs au monde.

Plus de 29 millions de personnes dans le monde vivent à moins de 10 km d'un volcan, et comprendre le comportement des volcans - et être capable de prédire quand ils vont entrer en éruption ou cracher des cendres dans l'air - est essentiel pour protéger le bien-être des gens.

Cependant, il est difficile de prédire le comportement des volcans, surtout s'ils ont été dormants, et leur surveillance peut être difficile, car le prélèvement d'échantillons ou le déploiement d'équipements présentent des dangers physiques. Et tandis que les modèles théoriques peuvent se rapprocher du comportement d'un volcan particulier compte tenu de son emplacement, la constitution géologique et le comportement du magma terrestre en dessous (entre autres), il existe encore de nombreuses variables inconnues et chaque volcan est unique.

Aujourd'hui chercheur à l'Université de Grenade en Espagne, Le Dr Zuccarello vise à analyser automatiquement les activités volcaniques pour développer des modèles d'alerte précoce qui pourraient sauver la vie des personnes vivant à proximité des volcans.

Au cours de la dernière décennie, les méthodes de collecte de données se sont considérablement améliorées, avec des équipements neufs et plus sensibles, et les chercheurs ont désormais accès à un déluge de données sans précédent. Par exemple, ils peuvent accéder à des informations en temps réel sur les secousses de la Terre à proximité du volcan (activité sismique), la propagation des ondes sonores depuis les profondeurs de la Terre, et les produits chimiques présents à l'intérieur du volcan et comment ils changent.

Les observatoires volcaniques doivent analyser de grandes quantités de données dans un court laps de temps. « Il est nécessaire de disposer de techniques plus rapides et sans erreur pour collecter de telles données, " a déclaré le Dr Zuccarello.

Son projet VOLCANOWAVES, qui comprend des chercheurs basés en Espagne, Le Royaume-Uni, Italie, Mexique, et l'Argentine, utilise l'apprentissage automatique pour identifier les modèles de l'activité sismique autour d'un volcan dans le but de prédire quand, ou s'il va éclater. En particulier, Le Dr Zuccarello examine les événements à basse fréquence, comme les secousses volcaniques, qui sont généralement liés au mouvement du magma dans la plomberie d'un volcan.

Reconnaissance de la parole

Au cours de la dernière décennie, l'application de l'apprentissage automatique à l'identification des formes fait partie intégrante de la reconnaissance vocale, mais les chercheurs l'utilisent maintenant pour prévoir le comportement des volcans. « Bien que ces domaines varient considérablement en termes de contexte et de source, l'objet de l'analyse est le même :l'étude de leurs harmoniques dans le temps à la recherche de motifs, " a déclaré le Dr Zuccarello.

Le principal résultat du projet sera un ensemble d'algorithmes - qui devraient être terminés lorsque le projet se terminera plus tard cette année - et il espère qu'ils seront largement utilisés dans la communauté scientifique pour surveiller les volcans au quotidien.

"La parole et les signaux sismiques partagent des propriétés importantes, " a déclaré le Dr Guillermo Cortés, spécialiste du traitement du signal et de l'apprentissage automatique à l'Université d'Udine en Italie. Il a dirigé un projet appelé VULCAN.ears, qui a également utilisé la technologie de reconnaissance vocale pour comprendre ce que disent les volcans.

Le Dr Cortés et ses collègues ont développé un système de surveillance des volcans en temps réel, qui détecte et étiquette automatiquement les « événements » volcaniques dans les flux de données provenant des stations de surveillance qui détectent les signaux sismiques. Ce système crée ensuite des catalogues d'activités afin de trouver des modèles de comportement.

Dr Roberto Carniel, géophysicien à l'Université d'Udine et responsable scientifique du projet, déclare : « L'arrivée de l'apprentissage automatique et des techniques d'apprentissage en profondeur appliquées révèle de nouvelles solutions à d'anciens problèmes. (Maintenant) il est plus facile de mélanger les résultats de plusieurs domaines de surveillance impliquant l'étude des signaux sismiques, signaux infrasonores, signaux magnétiques, analyse géochimique des gaz et des fluides, déformation, caméras thermiques et vidéo, pour produire des prédictions plus robustes et fiables."

Avec 29 millions de personnes dans le monde vivant à moins de 10 km d'un volcan, prédire quand ils vont éclater est vital pour protéger le bien-être des gens. Crédit image—Pexels/pixabay, sous licence CC0

L'équipe a développé un système de reconnaissance sismique volcanique basé sur un apprentissage automatique supervisé, dans lequel ils ont analysé des données qui avaient déjà été étiquetées par d'autres experts, apprendre au logiciel à identifier les événements volcaniques tels que les secousses volcaniques, chute de cendres, ou des explosions dans le volcan. Cette approche est similaire à la recherche de mots dans une conversation, étiqueter leurs parties du discours et trouver les modèles de langage uniques à chaque volcan.

Il s'agit d'une rupture avec les méthodes classiques de construction de catalogues de comportement des volcans, dit le Dr Cortés. Ces méthodes impliquent la détection automatique des événements et la classification manuelle par des experts. « En général, ils effectuent cette tâche quotidiennement, qui pourrait être trop lente dans une situation impliquant une population à risque en raison d'une éruption inattendue, " il a dit.

Le temps peut être un facteur essentiel quand il s'agit de volcans, notamment en cas de chute de cendres, effondrements et glissements de terrain, il dit. Dans ces cas, « la détection et la classification en fonctionnement en temps réel sont essentielles » afin de réduire le temps de prise de décision si les communautés voisines doivent être évacuées.

L'objectif ultime du Dr Cortés était de développer un système universel et indépendant des volcans qui pourrait être facilement intégré à n'importe quel observatoire volcanique. Pour construire cela, les chercheurs ont créé une base de données universelle à partir de dizaines de volcans à travers le monde et ont utilisé leurs techniques d'apprentissage automatique pour créer des modèles universels. Une version préliminaire de ce document est disponible en ligne.

Cependant, pour le Dr Carniel, ce qui est important maintenant, c'est que les observatoires volcaniques du monde entier fassent avancer le travail. "Ils sont la véritable clé pour faire avancer l'idée indépendante du volcan, installer le système de reconnaissance sismique volcanique dans leurs propres observatoires, partage de ressources, et donner de précieux commentaires, " il a dit.

Ces observatoires sont, après tout, la ligne de front des efforts des pays pour protéger leurs citoyens contre les volcans à l'intérieur de leurs frontières - et les scientifiques doivent être capables d'entendre les murmures des volcans pour prédire quand ils vont commencer à crier.